TEG - Thermo-Elektrischer-Generator zu Schneeschmelze und Stromgewinnung

[andre4]

Hallo, ich hatte überlegt mir einen TEG selber zu bauen. Kernidee war, das Schneeschmelzen gleichzeitig zum laden von Akkus zu nutzen. Mein Eigenbau hatte auch funktioniert, war aber mechanisch wenig robust gebaut. Ich habe mir letztlich diesen hier gekauft da er ultra-robust gefertigt ist:

https://powerspot.com/de/online-shop...yard-extended/

Da einige daran interessiert waren mein Ergebnis zu bekommen, anbei ein "Pfaden" für die Ergebnisse:

Ich habe jetzt das Gerät mal getestet unter heimischen Bedingungen in der Küche. Meine Zusammenfassung:

1. Brenner war ein Optimus Polaris mit Reinbenzin mit und ohne Silencer Kappe
2. Gekühlt wurde mit Leitungswasser, ca 10 Grad C Starttemperatur
3. Bei einem gemessenen Verbrauch von ca. 45g Benzin pro halber Stunde erzeugte das Gerät ca. 8 Watt Strom (5V/ ca. 1,7A). In meinem Versuch war das Maximum 11 Watt.
4. Nebenbei wurde das Wasser praktisch ohne Zeitverlust gegenüber einen normalen Kessel zum Kochen erhitzt.
5. Wurde das Wasser kühl gehalten (< 30°C) war die Leistung aufgrund der größeren Temperaturdifferenz für den Peltier ca. 20-30% größer. Das gibt mir die Hoffnung bei Schneeschmelze und einer Kühl-Wassertemperatur nahe dem Nullpunkt nochmal mehr Leistung zu bekommen (12 -14 Watt ??)
6. das nutzbare Volumen des Topfes des TEG beträgt ca. 650ml, der TEG wiegt mit Zubehör ca. 1.000g
7. Der Topf ist aus extrem dicken Aluminium gedreht (Wandstärke ca. 4 mm) und daher schwer. Das Aluminium ist nicht eloxiert, also potentiell nicht für Lebensmittel geeignet, ebenso der verbaute Stecker, Dichtungsring etc. Ich habe versuchsweise einen 1 Liter Freezer Bag Zip-Tüte in den Topf gesteckt, die passt sehr gut und hält 120°C aus. Man muss nur aufpassen dass zwischen Wand und Tüte ebenfalls immer Wasser ist. Alternativ könnte man auch eine schmale Nalgene oder Silikonflasche verwenden wer nicht aus dem Alu-Eimer Wasser haben will. Meine Titan-Töpfe passen leider nicht rein.
8. Alternativ zum Benzinbrenner kann das Gerät auch einfach in eine Feuerglut gestellt werden. die erlaubte Temperatur beträgt ca. 300 Grad Oberflächentemperatur. Der Innenraum muss IMMER mit Wasser gefüllt sein im Betrieb. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Boden, desto mehr Leistung. In der Praxis halte ich 8-10 Watt für real erreichbar mit diesem Gerät mit Benzinbrenner. Die Lebenserwartung des Gerätes ist mit 50.000 Stunden angegeben. Der Aufbau ist schon zu robust, daher auch schwer.

Mein Fazit: Ich werde es im realen Einsatz testen vor Ort. Das Gerät ist schwer und wiegt so viel wie zwei große Akkubanks. Lohnt sich daher rein vom Gewicht für mich erst ab Touren von drei Wochen länge, aber es ist nett und scheint stabil zu laufen. Den Sprit muss ich sowieso mitnehmen zum Schnee schmelzen und rechne ich daher nicht als extra Gewicht. Bei 90 Minuten Brennereinsatz am Tag erzeuge ich mit dem Gerät mindestens eine nutzbare Nachladung von Akkus im Bereich von 1,8Ah bei 5 Volt pro Tag (0,6 Ah durch Umladeverluste bereits abgezogen).

Ich werde dies mit meinen Erfahrungen aus der Pulka-Tour auf Einsatz ergänzen.

Anbei noch Bilder vom Aufbau und mit meinen Messwerten:

[Flachlandtiroler]

Bei einem gemessenen Verbrauch von ca. 45g Benzin pro halber Stunde erzeugte das Gerät ca. 8 Watt Strom (5V/ ca. 1,7A). In meinem Versuch war das Maximum 11 Watt.

In einem Kilo Benzin sind etwa 12 kWh chemische Energie, ein gängiger Gas- oder Benzinkocher erzeugt ein paar kWh Heizleistung.
11 Watt elektrische Ausbeute eine halbe Stunde lang ist jetzt nicht die Masse gegenüber rechnerisch 540 Wh Verbrauch (Heizleistung). Wäre etwa ein Prozent Effizienz

[markrü]

Wenn die Energie des Benzins nur zur Stromerzeugung genutzt werden würde und nicht auch noch 'nebenbei' zum Schneeschmelzen, hättest Du völlig Recht.
Insgesamt ist diese Ausbeute aber wirklich nicht allzu groß. Andererseits: Man hat im Notfall etwas Strom!

Ich hatte mal mit einem Biolite-Stove geliebäugelt, leider war mir aber der Lüfter zu laut und die elektrische Ausbeute fand ich auch zu gering... Zumal die Entwicklung hinsichtlich USB inzwischen deutlich weiter ist (und damit auch die Erwartungen), Stichwort Schnellladung oder Power Delivery (PD) mit bis zu 100W.
Info zu PD: https://de.elv.com/power-delivery

@Andre4: Danke für die Vorstellung!

Edit: Gerade noch mal nachgeschaut - Biolite gibt magere 3W am USB-Port an...

[andre4]

11 Watt elektrische Ausbeute eine halbe Stunde lang ist jetzt nicht die Masse gegenüber rechnerisch 540 Wh Verbrauch (Heizleistung). Wäre etwa ein Prozent Effizienz

Das ist leider korrekt. Im besten Fall liegt der Wirkungsgrad eines TEG bei ca. 3-4%, bedingt durch das Peltier-Element. Aber die Abwärme wird ja zum Schneeschmelzen eingesetzt was sowieso erfolgen muss. Auch der Treibstoff wird sowieso mitgeführt. Daher macht dies auf längeren Touren mit wenig verfügbaren Sonnenlicht im Schnee ggf Sinn.

Auch sinnvoll kann es sein wenn man sowieso ein Lagerfeuer mit Glut hat.

PS Auch kommerzielle Groß-Kraftwerke oder Verbrennungsmotoren, sprich alles wo Wärme in eine andere Energieform transformiert werden soll haben alles andere als gute Wirkungsgrade, selten mehr als 30%. Meistens geringer. Aber ich stimme schon zu, das ist ernüchternd und nur für Nischen sinnvoll. Daher wollen wir ja auch weg vom Verbrennungsmotor u.a....

[carsten140771]

Also quasi dieses Prinzip hier?

https://eu.bioliteenergy.com/products/campstove-2-plus

[andre4]

Also quasi dieses Prinzip hier?

https://eu.bioliteenergy.com/products/campstove-2-plus

Das Geräte kannte ich noch nicht, wird auch mit einem Peltier-Element funktionieren, nur finde ich das Konzept nicht wirklich Outdoortauglich wie dort umgesetzt. 3 Watt ist extrem wenig für dauernd Stöcke nachlegen. Der Aufbau des Gerätes selbst wirkt auf mich eher auf Schönwetter konstruiert, Lüfter die laufen müssen, eingebauter Akku neben brennender Holzglut. Wenn ich dieses Gerät mit hätte würde es vermutlich auch tagsüber Sonnenlicht geben, dann würde ich eher zu einer Photovoltaik-Modul tendieren am Rucksack. Das scheint mir auch kein Holzvergaser zu sein nach dem Bild, daher wird die Rauchentwicklung nicht zu verachten sein, oder man braucht eine gesunde Lagerfeuerglut die man da einfüllt (wie unterwegs, ich hätte maximal eine kleine Titan-Schippe), die Glut raucht nicht, wird aber nicht mehrere Stunden halten. Ich würde das daher nur mit einem mehreren Meter langen USB-Kabel nutzen wollen, es muss ja für eine Handy-Akkuladung doch schon vermutlich 6-10 Stunden laufen bei produzierten 600mA. Interessant wäre ob wenigstens diese 600mA real sind. Für eine Handy-Ladung ist der integrierte Puffer-Akku viel zu klein. Einmal verschmutzt mit Asche muss man sich überlegen wie man das transportieren wollte.

Zudem muss man bedenken das man beim Akku-Laden jeweils ca. 25-30% der Energie verliert die das Gerät abgibt.. Dann kommt nur ein effektiver Ladestrom ggf für das Handy zusammen von geschätzten 200-300mA bei diesem Gerät, die anderen gehen verloren für den laufenden Betrieb des Gerätes und die Umladeverluste. Der Lüfter wird ja ebenfalls Leistung verbraten. Unter 6 oder 7 Watt Output ist so ein TEG bei den heutigen Leistungshungrigen Geräten für mich uninteressant.

Bei meinem gekauften Gerät ist die theoretische Leistung 20 Watt, aber ich denke mit 8 Watt ist man schon ziemlich gut am Limit dessen was herauskommen kann, vielleicht in Peaks 12 oder 13 Watt. Je nach step-up oder step-down Spannungs-Wandler liegt da dann allein von der Elektronik zur Bereitstellung der benötigten Spannung ein Wirkungsgradverlust von 5-15%. Bei meinem Gerät hatte ich auch an einem USB-C Port mal mit 9 und 12 Volt laden können im QC3 Modus, verlangte aber einen starken Benzinbrenner am fauchen. Wenn es sein muss könnte man ein modernes Handy in 2,5 bis 3 Stunden voll aufladen mit dem PowerSpot was für mich ein gefühltes Zeitlimit ist was ich noch maximal erträglich finden würde.

Mein TEG benötigt für ein drittel Akku-Ladung etwa 90 Minuten, ist auch nicht toll, aber noch auszuhalten als Nebenbeieffekt beim Schneeschmelzen (Entspricht in etwa einem 5V / 1,5-2 A Netzteil). Bei Sparsamen Umgang mit dem Handy oder einer Navi könnte das mit 90 Minuten TEG-Betrieb am Tag gerade so reichen um über die Runden zu kommen. Muss man sich überlegen ob man deswegen ein 1 Kg TEG mitschleppen will, vor allem wenn die Tour kürzer als drei Wochen autark ist. Häufig hat man ja doch mal eine Hütte mit Wirt der einen auch mal seinen Strom anbieten kann. Spart man sich den Teekessel ein (ich nehme ihn zusätzlich mit) weil meiner einen Wärmetauscher integriert hat der natürlich effizienter ist als der simple Alu-Eimer vom TEG und zudem 1,6 Liter Volumen bietet, so sieht es mit dem Gewicht etwas besser aus (-230 g). Auf eine Akkubank zur Reserve würde ich auch aus Sicherheitsgründen nicht verzichten.

PS Für Bastler noch ein "Tipp": Wer so was mal selber bauen will muss viel auf die Mechanik achten des Einbaus, und man benötigt relativ teure Peltier-Elemente die hohe Temperaturen abkönnen (300 °Celcius). Das habe ich bei meinem Experiment leidvoll erlebt und bin dann zu diesem Kaufgerät gegangen, die haben das technisch und mechanisch gut gelöst. Die Wärmeströme muss man vermutlich durch Experiment bestimmen, die Mittel das anders zu machen fehlen mir. Bei Serien und Parallelschaltung der Peltier-Elemente hat man alle dafür erdenklichen Probleme die aus mehreren Stromquellen in einer Schaltung entstehen können. Theroretisch kann man sich so ein Gerät für weniger als 100 € bauen was auch dann um die 10 Watt bringt, aber es verlangt erstaunlich viel Planung. Den PowerSpot finde ich recht gut überlegt und ich traue ihm auch die 50.000 MTBF zu.

[carsten140771]

Die Idee finde ich gut. Es gibt ja auch Kühlboxen die nach dem Prinzip funktionieren.

In Gegenden mit großen Temperaturunterschieden könnte man da viellleicht ein bisschen Energie erzeugen. Ob es sich halt dann für den mobilen Einsatz gewichtstechnisch lohnt. Aber wenn ich das Prinzip richtig verstehe, könnte man da doch bei 100 Grad Differenz (Gletschereis/Geysir) einiges erzeugen.

Den Hobo halte ich für ein Gimmick.

[andre4]

Tatsächlich verwendet man solche Geräte im Bergbau (geothermie), oder bei Pipelines, wo man für Sensoren mitten im Nichts Strom braucht und nicht mal schnell zur Wartung vorbei kann und die Temperaturdifferenz aus der Pipeline selbst zieht, Spezialsituationen wo der Wirkungsgrad weniger wichtig ist als überhaupt an Strom zu kommen. Wenn man richtig kontinuierlich Wasserdampf zur Verfügung hat, dann ist vermutlich eine Dampfturbine sehr viel effizienter, aber auch größer und ggf Wartungsintensiver. Auf jedenfall ein interssante Technologie :-) Ich habe aber auch schon professionelle Lösungen gesehen, die mehrere hundert Watt leisten sollen, aber zu, ehh, dann doch anderen Preisen und Gewichtsklassen..

[markrü]

Die Biolite-Stoves sind gar nicht so schlecht. Durch den (mit selbst produziertem Strom versorgten) Lüfter entsteht durch den hohen Sauerstoffüberschuß sehr wenig Rauch. 3W Ausgangsleistung sind dabei wirklich nicht viel.
Die Bilanz ist insofern ähnlich wie in dem von Dir präsentierten Fall: Wenn man sowieso mit Holz kocht, sind zusätzliche 3W zum Handy Laden ganz nett. Nur wegen der 3W lohnt sich das aber nicht wirklich...